隨著電子設備不斷小型化和性能要求的提升，芯片中的晶體管數量持續增加，尺寸也日益縮小。然而，晶體管尺寸的縮小同時帶來了新的技術挑戰——當硅基晶體管溝道厚度接近納米尺度，特別是小于幾納米時，晶體管的性能就會顯著下降。

中國科學院上海微系統與信息技術研究所狄增峰研究員團隊在面向低功耗二維集成電路的單晶金屬氧化物柵介質晶圓研制方面取得突破性進展，相關成果于北京時間7日深夜發表在國際學術期刊《自然》（Nature）上。

圖說：人造藍寶石晶體介質助力低功耗芯片發展，成果登上《自然》（Nature）雜志 采訪對象供圖

二維半導體材料具有高載流子遷移率和抑制短溝道效應等優勢，是下一代集成電路芯片的理想溝道材料。據了解，三星正致力于將二維半導體材料應用于高頻和低功耗芯片制造；臺積電正在研究如何將二維半導體材料集成到現有半導體制程中，以提高晶體管的性能和降低功耗；歐盟則通過“歐洲芯片法案”，推動二維半導體材料的研究和開發……

然而，二維半導體溝道材料缺少與之匹配的高質量柵介質材料，導致二維晶體管實際性能與理論存在較大差異。

為了解決相關技術難題，科研團隊開發了一種創新的金屬插層氧化技術。這項技術的核心在于能在室溫下，精準操控氧原子逐層嵌入鋁的晶格中，形成有序的單晶氧化鋁介質材料——藍寶石。要知道，傳統的氧化鋁材料通常呈現無序結構，這種無序會導致其在極薄層面上的絕緣性能大幅下降；而藍寶石的單晶結構則為其帶來了更高的電子遷移率和更低的電流泄漏率。這種材料在微觀層面上的有序排列，確保了電子在傳輸過程中的穩定性，使得即使在僅有1納米的厚度下，依然能夠有效阻止電流的泄漏，從而顯著提高了芯片的能效。

論文共同通訊作者、上海微系統所研究員田子傲介紹，該材料已成功應用于半導體芯片制程中，結合二維材料，可制備出低功耗芯片器件。“通過采用這種新型材料，芯片的功耗顯著降低，續航能力和運行效率得到了大幅提升。”

論文共同通訊作者、上海微系統所研究員狄增峰表示，這一進展不僅對智能手機的電池續航具有重要意義，還為人工智能、物聯網等領域的低功耗芯片發展提供了強有力的支持。隨著5G、邊緣計算和智能家居等新興技術的發展，對低功耗、高性能芯片的需求不斷增加。科研團隊的研究成果，也將助力下一代智能設備的普及。

記者 郜陽